книги / Элементы автоматики и счетно-решающие устройства

На рис. 1.5 для полупроводника из смеси окислов марганца и никеля (Mn30 4 + N i0) показаны зависимости RT/ROпри Г0 = 273°К и ат в функции от Т (рис. 1.5, а), а также вольт-амперная харак­

теристика (рис. 1.5,6). Такой термистор может реагировать на изменение температуры порядка 0,0005° К.

Вольт-амперная характеристика должна строиться при опреде­ ленной температуре Гср окружающей среды. При увеличении этой температуры (пунктирная кривая) при том же значении тока соб-

Рис. 1.5. Типовые характеристики термистора

ственная температура термистора будет больше (т. е. сопротивле­ ние меньше) и вольт-амперная характеристика расположится ниже.

Вид вольт-амперной характеристики определяется тем, что» термистор сам нагревается проходящим через него током по срав­ нению с температурой Гср среды. Соответствующие температуры (Т—Гср) указаны в отдельных точках на вольт-амперной харак­

теристике. Пока ток мал, влияние собственного нагрева незначи­ тельно и сопротивление термистора практически не зависит от тока (участок 0 — а характеристики). В этом режиме термистор обычна

используется для измерения температуры окружающей среды. При дальнейшем увеличении тока разогрев термистора приводит к уменьшению его сопротивления и характеристика приобретает «падающий» участок. В этом режиме термистор может использо­ ваться как термореле, ограничитель тока, стабилизатор напряже­

ния и т. п.

При измерении температуры основными преимуществами тер­ мисторов по сравнению с металлическими термометрами сопротив­

1.1.4. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы)

Количество свободных электронов в полупроводниках увеличи­ вается под действием падающей на них лучистой энергии. Увели­ чение вследствие этого электропроводности при постоянстве тем­ пературы называется внутренним фотоэффектом.

Достоинствами фотодатчиков являются их простота, малые га­ бариты, высокая чувствительность, отсутствие механической связи с измеряемым процессом и малая инерционность. Основным недо­ статком является малая величина фототока, вследствие чего необ­ ходимо либо его усиление, либо применение высокочувствительных измерительных устройств.

Важнейшие три характеристики фотоэлементов:

—световая характеристика /ф = /(Ф ), т. е. зависимость фото­ тока от величины светового потока Ф в люменах при постоянном

напряжении, приложенном к фотоэлементу;

—вольт-амперная характеристика Aj>=f(fAj>), т. е. зависимость

фототока от величины приложенного к фотоэлементу напряжения £/ф при Ф = const;

величины изменения фототока к изменению светового потока при постоянном напряжении, приложенном к фотоэлементу. Для сравне­ ния различных фотоэлементов их интегральную чувствительность условились измерять, используя в качестве источника света лампу, имеющую вольфрамовую нить, накаленную до температуры 2840° К, г. е. при всегда одинаковых цветовом спектре и температуре ис­ точника излучения.

Следует учитывать, что чувствительность SR фотоэлементов,

работающих на сопротивление нагрузки /?н, меньше, чем инте­ гральная чувствительность 5 Ф (рис. 1.6,а). Действительно, одина­

ковое изменение ДФ светового потока в обоих случаях вызовет одинаковое изменение Д/?ф сопротивления Дф фотоэлемента. Соот­

а в цепи с сопротивлением Ra нагрузки

и чувствительность фотоэлемента в схеме с нагрузкой (динамиче скал чувствительность).

( 1. 20)

а величина фототока

Так как внутреннее сопротивление фотоэлементов обычно до­ статочно велико, то влияние сопротивления нагрузки сказывается только при относительно больших значениях Ra.

^ ч ф

Рис. 1.6. Схема включения (а) и конструкция (б) фото­ резистора

стый свинец, сернистый висмут, сернистый кадмий и т. п.) на ре­ шетки 2 и 3 из тонких проводников. При изменении освещенности Е такого фотоэлемента изменяется его сопротивление R$, а значит,

и величина тока /ф в электрической цепи. Величина фототока за­ висит от приложенного напряжения 11ф, которое для фотосопро-

гивлений может меняться в широких пределах. В связи с этим фо-

тосопротивления часто характеризуют удельной (на 1 в) инте­

гральной чувствительностью:

Вольт-амперные характеристики большинства фотосопротивле­ ний практически линейны, т. е. их интегральная чувствительность пропорциональна напряжению 5ф = 5ф0/7ф.

Достоинствами фоторезисторов являются малые габариты, вы­ сокая чувствительность и возможность измерения слабого тепло-

Рис. 1.7. Вольт-амперная (а) и световая (б) характеристики сернисто-кадмиевого фоторезистора ФСД

вого излучения (инфракрасный спектр). К числу недостатков сле­ дует отнести нелинейность световых характеристик, инерционность, температурную погрешность и наличие «темнового» тока при от­ сутствии освещенности.

На рис. 1.7 показаны вольт-амперная и световая характеристи­ ки сернисто-кадмиевого фотосопротивления, снятые при освещен­ ности £ = 2 0 0 лк и напряжении на фотоэлементе {Уф = 300 в. Как

видно из световой характеристики, при £ = 0 имеется темновой ток /т, обусловленный конечной величиной темнового сопротивления RT. При точных расчетах величину

необходимо добавлять к фототоку / ф.

В табл. 1.2 приведены основные параметры некоторых типов отечественных фоторезисторов, снимавшиеся при освещенности £ = 200 лк.

^?ст + ‘

•^м^'О-

т. е. при неизменных конструктивных параметрах датчика ток за­ висит от величины воздушного зазора 6, частоты напряжения пи­ тания со и активного сопротивления обмотки. Характеристика дат­ чика, т. е. зависимость величины тока / от величины воздушного зазора, показана на рис. 1.8,6.

В типовых конструкциях индуктивных датчиков /?CT<C26/SM^O и активное сопротивление обмотки значительно меньше, чем ее индуктивное сопротивление. Если пренебречь величинами R cт и R,

то получим упрощенную формулу, применяющуюся при простей­ ших расчетах:

Для учета уменьшения рабочего магнитного потока вследствие явления рассеяния можно пользоваться в формулах (1. 25) и (1. 26) поправочным множителем порядка 0,7—0,8.

Реальная характеристика индуктивного датчика отличается от идеальной, построенной по формуле (1.26) и показанной на рис. 1.8,6 пунктиром, наличием некоторой нелинейности за счет остаточного тока при нулевом воздушном зазоре (ЯмфО) и стрем­ ления тока к установившемуся значению Iy=U/R при больших

зазорах, когда активное сопротивление становится сравнимым с ин­ дуктивным (ДфО).

Индуктивные датчики применяются только на относительно низ­ ких частотах (до 3000—5000 гц), так как на высоких частотах

резко растут потери в стали на перемагничивание и реактивное сопротивление обмотки. Для каждого типа датчика существует ка­ кая-то наивыгоднейшая частота, при которой соотношение между активными и реактивными сопротивлениями в схеме будет опти­ мальным. Для большинства конструкций эта частота лежит в диа­ пазоне 100— 1000 гц.

Существенными недостатками индуктивного датчика, показан­ ного на рис. 1—8, являются следующие:

— для измерения перемещения якоря в обоих направлениях необходим начальный воздушный зазор 6о, т. е. и начальный ток /о в нагрузке. Это создает неудобства при измерении и значитель­ ные погрешности от колебаний температуры и питающего напря­ жения;

— наличие электромеханического усилия притяжения якоря, за­ висящего от величины воздушного зазора.

От этих недостатков ® значительной степени свободен диффе­ ренциальный индуктивный датчик, обладающий к тому же вдвое большей чувствительностью. Схема такого датчика, получившего наибольшее распространение, показана на рис. 1.9, а. Применение

Рис. 1.9. Дифференциальный индуктивный датчик

Ш-образного стального сердечника обусловлено удобством сборки катушки и уменьшением габаритов датчика. Для среднего положе­ ния якоря такого датчика ток в нагрузке /п р = 0 . При этом погреш­

ности от колебаний температуры и напряжения питания относятся только к изменениям тока в нагрузке, т. е. имеют значительно меньшую вели­ чину. Электромеханические усилия, действующие на якорь от двух кату­ шек, в значительной степени взаимно компенсируются во всем рабочем диа­ пазоне измеряемых перемещений.

Идеальная (пунктирные линии) и реальная характеристики дифференци­ ального датчика приведены на рис. 1.9, б. При применении фазочувстви­ тельных выпрямительных схем диффе­ ренциальный датчик может показы­ вать и направление перемещения яко­ ря от нулевого (среднего) положения.

Схема т р а н с ф о р м а т о р н о г о индуктивного датчика (рис. 1. 10), при­ меняющегося в гироскопических устг

ройствах, состоит из якоря 1, сердечника 2, обмоток I и II, фазо­ чувствительной выпрямительной схемы 3, трансформатора 4 и маг­ нитоэлектрического прибора 5 или другого измерительного устрой­ ства. При нейтральном положении якоря 1 магнитные потоки,

создаваемые намотанными в противоположном направлении об-

мотками I, не создают разностного магнитного потока в измери­ тельной обмотке II, т. е. э. д. с. в ней не наводится. При смещении

якоря от нейтрального положения магнитное сопротивление для потока, создаваемого одной из обмоток I, увеличивается, а для по­

тока, создаваемого другой обмоткой / а, уменьшается. В результате в сердечнике создается разностный переменный магнитный поток и в обмотке II появляется переменная э. д. с. е. Амплитуда этой

переменной э. д. с. пропорциональна смещению якоря от нейтраль­ ного положения, а фаза определяется направлением этого смеще­ ния. Если подать э. д. с. на вход мостовой фазочувствительной вы­ прямительной схемы 3, то магнитоэлектрический прибор 5 на ее вы­

ходе будет показывать величину и направление смещения якоря 7. Особенность трансформаторного датчика заключается в воз­ можности больших перемещений якоря и отсутствии электрической связи между измерительной цепью и цепью электрического пита­ ния. Между ними существует только магнитная связь, что во мно­

гих случаях является преимуществом.

1.2.ДАТЧИКИ Э. Д. С.

1.2.1. Термопары

Термоэлектрический метод получил широкое применение для точного измерения и регулирования высоких (370—2000° К) тем­ ператур. Преимуществами метода являются малая инерционность, простота и очень малые габариты дат­ z чиков, называемых обычно термопа­

рами.

Принцип действия термопары осно­ ван на явлении термоэлектрического эффекта, открытом в 1756 г. русским академиком Ф. У. Эпинусом. Это явле­ ние заключается в том, что если соеди­ нить концами два разнородных по ма­ териалу проводника 1 и 2 (рис. 1. И, а)

ток ввиду наличия термо-э. д. с. Е. Эта

термо-э. д. с. пропорциональна по ве­ личине разности Т 1— Т2 температур двух концов электрической це­

пи и зависит от материалов обоих проводников.

Любая термопара характеризуется следующими основными свойствами:

1) абсолютная величина термо-э. д. с. не зависит от распреде­ ления температур вдоль однородных проводников (рис. 1.11,6). Это означает, что величина термо-э. д. с. не изменится, если, на­